一、牛乳中的主要成分和占比如何?

　　1.水(占比約86%～90%)

　　2.蛋白質(zhì)(占比約2.8%～3.3%)

　　牛乳中蛋白質(zhì)含量為2.8%～3.3%，主要由79.6%的酪蛋白、11.5%的乳清蛋白和3.3%的乳球蛋白組成，另有少量的其他蛋白質(zhì)，如免疫球蛋白和酶等。

　　(1)酪蛋白

　　凡在20℃下于pH4.6沉淀的牛乳蛋白被稱為酪蛋白。酪蛋白是一種耐熱蛋白質(zhì)，但可在酸性條件下沉淀，酸奶和奶酪就是以這個原理制成的。

　　(2)乳清蛋白

　　乳清蛋白對熱不穩(wěn)定，加熱時發(fā)生凝固并沉淀。牛乳蛋白質(zhì)消化吸收率為87%～89%，屬于蛋白質(zhì)。

　　3.脂肪(占比約2.8%～4.0%)

　　乳類脂肪約為2.8%～4.0%，以微粒狀的脂肪球分散在乳液中，呈很好的乳化狀態(tài)，容易消化吸收，吸收率高達97%。

　　4.碳水化合物——乳糖(占比約3.4%～5.4%)

　　乳類碳水化合物主要為乳糖，牛乳乳糖含量約為3.4%～5.4%。乳糖在腸道中能促進鈣、鐵、鋅等礦物質(zhì)的吸收，提高其生物利用率;能促進腸道乳酸細菌，特別是雙歧桿菌的繁殖，能夠改善人體微生態(tài)平衡，促進腸細菌合成B族維生素。

　　5. 礦物質(zhì)(占比約0.7%～0.75%)

　　牛乳中礦物質(zhì)含量約為0.7%～0.75%，富含鈣、磷、鉀、硫、鎂、鈉等常量元素及銅、鋅、錳等微量元素。

　　6.維生素

　　牛乳中幾乎含有人體所需的各種維生素，其含量與飼養(yǎng)方式、季節(jié)、加工方式等有關(guān)。

　　7.其他生理活性物質(zhì)

　　牛乳中還有大量的生理活性物質(zhì)，其中較為重要的有乳鐵蛋白、免疫球蛋白、生物活性肽、共軛亞油酸、酪酸、、生長因子和多種活性肽類等。

　　二、國內(nèi)外乳品行業(yè)將膜分離技術(shù)工業(yè)化的情況如何?

　　從20世紀(jì)70年代開始，國外就已經(jīng)將超濾膜技術(shù)和反滲透膜技術(shù)應(yīng)用于乳品行業(yè)中，國外將膜分離技術(shù)運用于食品產(chǎn)業(yè)就是以乳制品生產(chǎn)加工開始的，到1983年時，絕大多數(shù)產(chǎn)奶國家都有了用于牛奶和乳清加工的工業(yè)化膜過濾設(shè)備。

　　如今，發(fā)達國家的乳品工業(yè)已非常普遍地應(yīng)用了膜分離技術(shù)，且不斷地改進該技術(shù)以繼續(xù)擴大其應(yīng)用范圍。在我國，乳品加工應(yīng)用膜分離技術(shù)尚有很大的發(fā)展空間，盡管我國乳品工業(yè)近年來發(fā)展較快，但國內(nèi)人均乳制品消費量還較低，膜過濾方面少有深加工產(chǎn)品，因此全行業(yè)大規(guī)模地應(yīng)用暫時比較少見。

　　未來，隨著我國人民生活水平的不斷提高，國內(nèi)對乳品的需求量必然增加，大家對乳制品的質(zhì)量和種類也會提出更高更多的要求，所以膜分離技術(shù)在乳品領(lǐng)域的潛在市場很大，工業(yè)化應(yīng)用將更加。

　　三、膜分離技術(shù)在乳品行業(yè)的具體應(yīng)用有哪些?

　　牛乳成分中各種物質(zhì)的粒徑大小不同，是進行膜分離過程的理想液體。

圖1-牛乳中主要成分的粒徑大小

　　1.微濾膜分離脂肪球

　　牛乳中的脂肪球粒徑約在2～15μm不等，可以采用微濾膜進行分離。國外已經(jīng)有報道顯示：可以通過微濾陶瓷膜實現(xiàn)不同大小粒徑的脂肪球分離。我們知道均質(zhì)機也可以改變脂肪球的粒徑，但是均質(zhì)機在改變脂肪球粒徑大小的同時，也改變了脂肪球的界面組成，它會使乳脂肪中由乳磷脂和膜蛋白組成的原始天然膜變成由酪蛋白和乳清蛋白組成的膜。而微濾膜分離技術(shù)就可以有效避免這一情況，微濾陶瓷膜可以在不改變脂肪球界面的情況下，將脂肪球分成小小的粒徑，以滿足乳品生產(chǎn)的穩(wěn)定化、多樣化需求。

圖2-和誠過濾陶瓷膜

　　2.微濾膜除菌

　　牛乳加工中最常見的殺菌方式有兩種，一種是熱加工殺菌，另一種是巴氏殺菌。熱加工生產(chǎn)出來的牛乳叫做“UHT奶”，這種牛奶雖然具有較長的保質(zhì)期，但是由于加工溫度很高，許多活性營養(yǎng)物質(zhì)在這個過程中都盡數(shù)損失。經(jīng)巴氏殺菌法生產(chǎn)出來的牛乳叫做“巴殺奶”，這種牛奶雖然保留了絕大多數(shù)的活性營養(yǎng)物質(zhì)，但是其保質(zhì)期也非常之短，一般小于10天。

圖3-牛奶

　　為了解決上述兩種工藝中存在的突出問題，膜分離技術(shù)再一次展現(xiàn)了其獨特的優(yōu)勢。利用微濾膜對牛乳中的細菌等進行攔截，其余營養(yǎng)物質(zhì)及水分透過膜，即可在避免高溫加工的前提下生產(chǎn)出“ESL奶”(延長保質(zhì)期牛奶)，這種牛奶在4℃下的保質(zhì)期可達21天。

圖4-和誠過濾陶瓷膜樣品

　　除此之外，微濾膜不僅攔截了牛乳中的細菌，還攔截了牛乳中的體細胞，這使得牛奶的品質(zhì)變得更好。在微濾膜除菌工藝中，常常將膜分離技術(shù)和巴氏殺菌工藝配合進行生產(chǎn)，這將使得牛乳中微生物的數(shù)量遠低于檢測限。

圖5-微濾膜除菌基礎(chǔ)工藝(結(jié)合巴殺)

　　3.超濾膜分離酪蛋白和乳清蛋白

　　牛奶中的酪蛋白(CN)和乳清蛋白(WP)具有不同的加工特性，比如他們的耐熱性和凝膠性都不相同，因此在乳品行業(yè)中二者經(jīng)常被分離開來，用做不同的食品加工基料。分離出的酪蛋白(CN)可進一步生產(chǎn)制得酪蛋白粉(CNN)，用于干酪生產(chǎn)和高蛋白功能性飲料加工。分離出的乳清蛋白(WP)可進一步生產(chǎn)制得乳清蛋白粉(WPC)，用于嬰幼兒配方奶粉等的生產(chǎn)。

圖6-酪蛋白與乳清蛋白

　　酪蛋白主要包括 αs1-CN、αs2-CN、β-CN、κ-CN這四種不同的單體，這些單體通過多種相互作用聚集成了一個個粒徑在110nm左右的酪蛋白膠束分散在牛乳中。同樣，乳清蛋白也并非單一組分，乳清蛋白包括α-La(α-乳白蛋白)、β-Lg(β-乳球蛋白)等，粒徑大約在3～8nm。我們可以根據(jù)蛋白粒徑的差異，選擇合適的超濾膜對酪蛋白和乳清蛋白進行分離。

圖7-和誠過濾陶瓷膜

　　4.超濾膜濃縮乳清蛋白

　　濃縮乳清蛋白(WPC)是一種功能性乳蛋白配料，它應(yīng)用于食品工業(yè)，可功能 、有利于心血管系統(tǒng)的健康 、有利于健壯肌肉和增強體力、改善精神面貌、增強骨骼 、為乳糖不耐癥以及酪蛋白和谷蛋白過敏者提供蛋白 、能減少皮膚皺紋和老化、促進傷口愈合等。

圖8-乳清蛋白濃縮粉

　　原料乳經(jīng)過巴氏殺菌和脂肪分離工藝后，進入合適孔徑的超濾膜分離系統(tǒng)，乳糖、水和礦物質(zhì)等小分子物質(zhì)透過膜形成透析液被除去，而大分子蛋白則被膜截留形成濃縮液。超濾膜濃縮液一部分經(jīng)降溫冷卻打去灌裝，即生產(chǎn)制得了超濾牛奶;另一部分經(jīng)蒸發(fā)濃縮和噴霧干燥，即生產(chǎn)制得了濃縮

圖9-超濾膜濃縮乳清蛋白基礎(chǔ)工藝

　　5.納濾膜乳清脫酸、脫鹽(脫礦)

　　牛乳中富含脂肪、乳糖、蛋白、乳酸、礦物質(zhì)等，其中乳酸和礦物質(zhì)對部分產(chǎn)品的影響較大，例如嬰幼兒配方食品和烘焙食品就需要已脫除乳酸和礦物質(zhì)的牛乳。

圖10-嬰幼兒配方奶粉

　　(1)乳清脫酸

　　當(dāng)我們選用合適孔徑的納濾膜，在較優(yōu)工況下對牛乳進行過濾，就可以脫除50%左右的乳酸，截留95%左右的乳糖，在脫酸的同時實現(xiàn)了乳糖的高收率濃縮富集。

圖11-乳酸

　　(2)乳清脫鹽(脫礦)

　　脫鹽乳清粉對嬰幼兒來說意義重大，礦物質(zhì)含量高將會增加嬰幼兒的腎臟負(fù)擔(dān)。牛乳經(jīng)納濾膜分離，其中Ca2+、Mg2+、PO43-的透過率約在24%～50%之間，單價陽離子Na+、K+的透過率約在64%～91%之間，因此選擇合適過濾孔徑的納濾膜和正確的操作條件，可以實現(xiàn)乳清脫鹽(脫礦)。

圖12-和誠過濾卷式膜

　　6.反滲透膜牛乳濃縮

　　目前國內(nèi)乳品行業(yè)中牛乳的濃縮通常采用多效蒸發(fā)法，這種方法能耗高，較長時間的高溫加熱也會破壞牛乳中的部分營養(yǎng)成分。采用反滲透膜分離工藝可在常溫甚至低溫下濃縮牛乳，能達到節(jié)能和防止?fàn)I養(yǎng)成分被破壞的目的。我國牧區(qū)幅員廣，產(chǎn)奶地點相對分散，交通不便，給鮮奶運輸帶來很大困難，如果能就地用膜分離技術(shù)加工或經(jīng)濃縮后集中加工，可減少損耗，節(jié)省運輸費用。

圖13-牛奶運輸

　　用反滲透膜濃縮牛乳，可明顯降低運行成本，提升乳品的綜合使用率，噸水能耗遠低于蒸發(fā)工藝。牛乳膜濃縮設(shè)備運行操作簡單，自動化程度高，對環(huán)境污染小，具有很高的分離效率，是當(dāng)下和未來將更應(yīng)用的一種生產(chǎn)工藝。